Die Anfänge der Lithium-Batterie

Klappernde Münzen, eine Schlange von Menschen und prasselnder Regen – kein untypisches Szenario abends vor einer gelben Telefonzelle. Diese waren früher die einzige Gelegenheit, sich von unterwegs bei seiner Familie oder seinen Freunden zu melden. Mittlerweile ist die rund 140-jährige Ära der Telefonzelle zu Ende – das Smartphone hat ihr schon vor einigen Jahren den Rang abgelaufen.

Heute hat das Smartphone unseren Alltag erobert. Chatten, surfen, telefonieren ohne Münzen und Wartezeit – die Möglichkeiten scheinen nahezu grenzenlos. Ihre Energie bekommen die Geräte von Lithium-Zellen, die schnell wiederaufgeladen werden können.

Die Suche nach dem optimalen Anodenmaterial

Primäre, also nicht wiederaufladbare Lithium-Batterien mit metallischem Lithium gibt es schon seit den sechziger Jahren, zumeist als Knopfzellen. Die Zellen waren nicht wiederaufladbar, da die Zyklisierung von Lithium – insbesondere die Wiederaufladung – nicht so einfach möglich ist. Doch werfen wir zunächst einen Blick auf die ersten Erfolge in der Entwicklung der wiederaufladbaren Lithium-Batterie:

„Die ersten Erfolge in Deutschland gab es Mitte der 1970er Jahre zu vermerken. Die Entwickler um Prof. Jürgen Otto Besenhard an der TU München waren es, die die Möglichkeit erkannten, die reversible Interkalation – also Einlagerung – von Alkalimetallionen in Kohlenstoff sowie metallische oxidische Gitter als Funktionsprinzip für wiederaufladbare Lithium-Batterien zu nutzen.“, erklärt Dr. Jürgen Heydecke, Doktor der Chemie.

Ebenso in den 70er Jahren entdeckte Stanley Whittingham, dass Titandisulfid Lithium-Ionen als Kathode in den Zwischengitterplätzen interkalieren kann und gegen Lithium Metall ca. 2 Volt liefert. „Rocking Chair– diesen Namen gabMichel Armand wiederum dem Konzept mit zwei festen Interkalationsmaterialien, wobei das Lithium zwischen Anode und Kathode hin und her „rockt“. Der Name machte Furore und Bruno Scrosati bewies im Labor, dass dieses Funktionsprinzip wirklich realisiert werden kann.“, so Heydecke. Nun war also bewiesen, dass eine wiederaufladbare Lithium-Batterie mit zwei festen Elektroden, in die Lithium Ionen eingelagert werden können, möglich ist.

Es fehlten nur noch die geeigneten Materialien, die eine maximale Spannung ermöglichen und mit hohen Rocking Zahlen eine große Zyklenzahl ergeben. Der amerikanische Physiker John B. Goodenough sowie Akira Yoshino, der für Asahi Kasai tätig war, fanden unabhängig voneinander heraus, dass lithiiertes Cobaltoxid bzw. Petrolkoks oder Graphit als Anodenmaterial eine mittlere Spannung von 3,6 / 3,7 Volt liefern und beim Laden / Entladen von 3 – 4.2 V für mehrere 100 Zyklen halten kann. 

Im Jahr 2019 schließlich erhielten sie zusammen mit Stanley Whittingham den Nobelpreis, um die überragende Bedeutung dieser Entwicklung für unser tägliches privates und berufliches Leben zu würdigen.

Der Weg zur kommerziellen Fertigung von Lithium-Batterien

Die ersten kommerziell gefertigten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen wurden auf Basis von Lithium-Metall als Anodenmaterial gefertigt. Als Kathodenmaterial wurde Manganoxid verwendet. Doch ein Problem bestand dabei: bei anodischem metallischem Lithium besteht während des Ladeprozesses die Gefahr der Dendritenbildung, weshalb ganz am Anfang eben nur primäre Lithium-Batterien hergestellt wurden. Durch Dendriten entsteht ein großes Sicherheitsrisiko. Die kleinen Ablagerungen können während des Ladeprozesses wachsen und innere Kurzschlüsse erzeugen. Ein Thermal Runaway, der meist im Abbrennen der Zelle endet, ist die Konsequenz. Das zeigte sich auch bei diesen Zellen und sie wurden nach Meldungen über zahlreiche Brände vom Markt genommen.

Ende der achtziger bzw. zu Beginn der neunziger Jahre kam die erste wiederaufladbare Lithium-Zelle mit einer Interkalationsanode (Kohlenstoff, zunächst „Koks“) von Sony auf den Markt: der Lithium-Cobaltdioxid Akkumulator.

Nun wurde immer klarer, dass Lithium-Batterien die Zukunft bedeuten, da sie leicht, klein und mit einer Spannung von 3,6 Volt sogar die dreifache Spannung wie die wässrigen Vertreter, Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid erreichen.

Lithium-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten veränderten viele Lebensbereiche – darunter auch unser Kommunikationsverhalten. Dank der Lithium-Batterien sind dünne Tablets und große Handybildschirme möglich – mit der Nickel-Metallhydrid-Technologie hätte man dies in diesem Maß nicht realisieren können.